Шаг за шагом. Транзисторы - Рудольф Сворень

Количество собственных дырок базы определяется лишь свойствами кристалла и температурой. А поэтому ток Iко, создаваемый собственными неосновными носителями базы (ее собственными тепловыми дырками), всегда протекает в коллекторной цепи и не подчиняется воздействию управляющего напряжения. Несколько забегая вперед, заметим, что ток Iко может сильно влиять на режим транзистора. А поскольку этот ток, так же как и обратный ток диода, сильно зависит от температуры (рис. 21), то приходится принимать решительные меры для того, чтобы обеспечить температурную стабильность транзисторного усилителя.

Семейство выходных характеристик — это своего рода сценарий, по которому можно было бы снять увлекательный фильм. Ведь за каждой характеристикой, за каждым ее изгибом и поворотом стоят интересные события, которые происходят в самом транзисторе. А поскольку характеристик много, то события эти сложным образом переплетаются, как в самом настоящем детективе.

Представьте себе, как из эмиттера в базу впрыскиваются свободные заряды (в триоде р-n-р, с которым мы все время имеем дело, из эмиттера в базу впрыскиваются дырки) и как эти заряды в результате диффузии проходят сквозь базу и попадают к коллекторному переходу. Здесь напряжение Uбк «хватает» свободные заряды и с силой бросает их в коллекторную цепь, создав таким образом ток Iк. (Вы, очевидно, уже забыли о примечании на стр. 26? Сейчас как раз наступил момент еще раз обратиться к нему.)

При увеличении коллекторного напряжения Uбк ток Iк немного увеличивается. Мы, к сожалению, не имеем возможности рассказывать обо всех причинах увеличения тока Iк под действием Uбк. Упомянем лишь об одной из этих причин. С увеличением Uбк расширяется лишенная свободных зарядов область коллекторного перехода, и такое расширение происходит частично за счет территории базы. База становится чуть тоньше, силам диффузии тогда чуть легче проталкивать сквозь нее поступившие из эмиттера свободные заряды, и в итоге немножко возрастает коллекторный ток.

Слово «немножко» мы применили не напрасно — напряжение Uбк очень слабо влияет на величину тока Iк. Как бы ни старалось коллекторное напряжение, оно не может двинуть по коллекторной цепи больше зарядов, чем их поступило из базы. Поэтому резко увеличить коллекторный ток можно только одним способом: нужно увеличить отрицательное напряжение на базе Iэб (мы лишь для краткости говорим «напряжение на базе», фактически речь идет о напряжении между базой и эмиттером) и таким образом впрыскивать из эмиттера в базу большее количество свободных зарядов. При этом мы как бы поднимаемся на ступеньку выше, перескакиваем на более «высокую» выходную характеристику, снятую при более высоком входном напряжении Uэб.

В реальном случае, когда на входе транзистора появляется усиливаемый сигнал и напряжение на базе непрерывно меняется, подобное перескакивание с одной выходной характеристики на другую происходит непрерывно. Но одновременно с этим меняется и напряжение на коллекторе: мы уже говорили (рис. 38), что чем больше коллекторный ток Iк, тем больше напряжение на нагрузке Uн = Iк·Rн, тем меньше напряжение на самом коллекторе Uбк = Eк — Uн.

Как же уследить за всеми этими перепутанными событиями, как определить истинный коллекторный ток и с учетом меняющегося Uэб, и с учетом меняющегося Uбк? Это помогает сделать нагрузочная прямая, или, как ее еще называют, линия нагрузки (рис. 61).

Рис. 61. Нагрузочная прямая показывает, как меняется коллекторный ток под действием входного сигнала и с учетом того, что напряжение на нагрузке (а значив и на коллекторе) тоже меняется при изменении тока.

Давайте посмотрим, как строится такая линия в следующем конкретном случае: Rн = 1 ком и Eк= 12 в. Чтобы построить линию нагрузки, введем в наш сценарий две фантастические ситуации: рассмотрим, что происходит в коллекторной цепи, когда коллекторный ток равен нулю (первая фантастическая ситуация) и когда коллекторный ток настолько велик, что все напряжение батареи теряется на нагрузке и на самом коллекторе вообще нет никакого напряжения (вторая фантастическая ситуация). Подобных ситуаций в реальном случае не бывает, и поэтому мы будем о них говорить, применяя так называемую сослагательную форму «если бы да кабы».

Если бы коллекторный ток был равен нулю, то на нагрузке вообще не было бы никакого напряжения (Uн = 0) и все напряжение источника Eк было бы приложено к коллектору. На основании этого первого «если бы» поставим на нашей характеристике точку А; она как раз соответствует Uбк = Eк, так как напряжение батареи Eк мы приняли равным 12 в.

Если бы напряжение Uбк было равно нулю (это возможно, если довести сопротивление коллекторного перехода до нуля), то все напряжение Ек было бы приложено к сопротивлению нагрузки и ток через нагрузку (коллекторный ток Iк) был бы по закону Ома равен Iк = Ек·Rн. На основании этого второго «если бы» сделаем еще одну отметку на нашей характеристике — поставим на ней точку Б. Она как раз и соответствует напряжению Uбк = 0 и току Iк = 12 ма, который под действием напряжения Ек = 12 в пойдет по выбранному нами сопротивлению нагрузки Rн = 1 ком.

Теперь нетрудно провести и линию нагрузки. Она пройдет от точки максимального коллекторного тока и нулевого напряжения на коллекторе (точка Б) до точки нулевого коллекторного тока и максимального напряжения на коллекторе (точка А). И хотя обе эти крайние точки мы не без оснований назвали фантастическими (ни Iк, ни Uбк практически никогда не равны нулю), сама линия АБ абсолютно реальна. Она как раз и рассказывает сразу о всех запутанных событиях, происходящих в работающем транзисторе: об изменении его токов и напряжений в живом, рабочем, динамическом режиме.

Каждая точка на линии АБ говорит о том, как при выбранной нагрузке Rн и выбранном напряжении питания Ек связаны между собой входное напряжение Uэб, напряжение на коллекторе Uбк и коллекторный ток Iк. Так, например, точка М говорит о том, что при Uэб = 250 мв режим коллекторной цепи будет Uбк = 2 в и Iк = 10 ма; при Uэб = 150 мв режим уже совсем иной: Uбк = 10 в, Iк = 2 ма (точка N). Разумеется, эти данные относятся лишь к Rн = 1 ком и Ек = 12 в. Если увеличить сопротивление нагрузки Rн, то нагрузочная линия пойдет более полого (АВ), а если уменьшить Rн — более круто (АГ). Это происходит потому, что с увеличением сопротивления нагрузки на нем теряется все большая часть питающего напряжения Ек и уменьшается напряжение на коллекторе Uбк. Так при одном и том же входном напряжении Uэб = 150 мв получаем Uбк = 10 в при Rн = 1 ком (точка N); и Uбк = 8 в при Rн = 2 ком (точка А').

Уменьшение питающего напряжения Ек одновременно уменьшает и ток Iк, и напряжение Uбк и таким образом смещает всю линию нагрузки в сторону нуля (линия А'В при Ек = 6 в).

Задавшись пределами изменения входного сигнала, можно найти пределы изменения коллекторного тока и напряжения на коллекторе. Так, если входное напряжение меняется от 150 мв до 250 мв (наша входная характеристика говорит о том, что такие пределы изменений вполне допустимы), то все события в транзисторе будут происходить в пределах участка MN нагрузочной прямой. При этом коллекторный ток будет меняться от 2 ма до 10 ма, а напряжение на коллекторе — от 2 в до 10 в. Отсюда легко найти и амплитудные значения напряжения и тока выходного (усиленного) сигнала Iампл = Iк(MN):2 = 8 ма: 2 = 4 ма. Мы делим Iк(MN) на два потому, что в этом интервале должны «поместиться» две амплитуды («положительная» и «отрицательная»), а значит, на каждую из них придется только половина Iк(MN). Аналогично находим и амплитуду переменного напряжения: Uампл = Uбк(MN):2 = 8 в:2 = 4 в.